CHAPITRE I : REVUE DE LA DOCUMENTATION

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CHAPITRE I : REVUE DE LA DOCUMENTATION
CHAPITRE I
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CHAPITRE I : REVUE DE LA DOCUMENTATION
I.1. INTRODUCTION
Il y a plus de 2000 ans, les Romains et les Grecs savaient déjà fabriquer du liant
hydraulique en faisant réagir de la «chaux éteinte» Ca(OH)2 et des cendres volcaniques,
notamment celle de la région de Pouzzoles, cendres de composition riche en silice.
L’association des caractéristiques de ce matériau avec une technologie très avancée semble
être un facteur prépondérant dans le développement de l’empire romain. Elle a, entre autres,
permis la construction de structures monumentales, inhabituelles pour cette période de
l’histoire, et d’une durabilité exceptionnelle : le Panthéon avec sa coupole de 44 mètres de
diamètre et le Colisée à Rome ainsi que le pont du Gard sont des monuments de plus de 1800
ans [19, 22, 34].
Les secrets de fabrication de ce matériau et son utilisation se sont ensuite perdus à la
chute de l’empire face au retour de la maçonnerie en pierre. Smeaton redécouvre en 1756 les
propriétés hydrauliques du mélange de calcaire avec de l’argile.
En 1817, l’ingénieur français Vicat donne les proportions en calcaire et en silice pour
constituer le mélange qui après cuisson sera un véritable liant hydraulique [61].
C’est seulement en 1845 que l’Anglais Johnson indique de façon précise les règles de
fabrication du ciment. La dénomination Portland, due à la similarité de couleur et de dureté
avec la pierre de Portland (Sud de l'Angleterre), est à l'heure actuelle toujours employée dans
l'industrie [69].
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Les recherches menées depuis 1970 sur le béton, et particulièrement sur ses constituants
actifs, conduisent à un nouveau bond qualitatif et quantitatif de ses propriétés. Aux Etats-Unis
et au japon, on fabrique et on met en œuvre, dans les années 1980, des bétons à hautes
performances dont la résistance à la compression atteint 100 MPA, et même 140 MPA dans
un immeuble à Seattle aux Etats-Unis. En laboratoire, on obtient, d'ores et déjà, des
résistances supérieures à 600 MPA [24].
I.2. CONSTITUANTS DES MATERIAUX CIMENTAIRES
Les trois composants de base d’un béton sont l’eau, le ciment et les granulats. Des
additifs peuvent y être rajoutés dans le but de modifier les propriétés telles que la maniabilité
et la résistance. Le béton est donc un matériau hétérogène dont les caractéristiques physicochimiques et mécaniques des divers constituants sont différentes. Chacun de ses composants
joue un rôle bien précis dans le mélange.
I.2.1. Ciment
Grâce à la simplicité de sa technologie, le ciment Portland est, de nos jours, le matériau
le plus utilisé dans le domaine de la construction. Le ciment Portland est un mélange composé
suivant le cas de clinker, de gypse (CaSO4) finement broyé et d’ajouts éventuels. Pour
favoriser les réactions chimiques ultérieures, les matières premières doivent être séchées et
broyées très finement (quelques microns) dans des broyeurs à boulets. La taille des grains du
ciment Portland ordinaire varie de quelques microns à 150 microns. Ses caractéristiques
granulaires sont exprimées au travers de sa granulométrie et de sa finesse.
Cette finesse est souvent caractérisée par sa surface massique ou surface spécifique
Blaine qui représente la surface totale des grains de ciment rapportée à la masse.
Elle s’exprime en cm²/g la finesse habituelle est de l’ordre de 3000 cm²/g, elle passe à
4000 cm²/g et plus pour les ciments à forte résistance au jeune âge.
Le clinker est obtenu par cuisson à 1450°C suivi d’une trempe rapide d’un mélange
d’environ 80 % de calcaire (CaCO3) et 20% d’argile. L’argile est composée de silice (SiO2),
d’alumine (Al2O3) et d’autres phases qui sont présentes à de faibles proportions tels que
l’oxyde de fer (Fe2O3), le magnésium (MgO), l’oxyde de potassium (K2O), l’oxyde de sodium
(Na2O). Ces oxydes sont présents dans le clinker sous forme de cristaux de silicate tricalcique
C3S dénommé alite, de silicate bicalcique C2S ou bélite, d’aluminate C3A ou célite,
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d’aluminoferrite tétracalcique C4AF ou Felite, et d’autres phases mineures. Le C3S est le
principal constituant du clinker et représente 50 à 70 % de sa masse.
Le C2S, le C3A et le C4AF représentent respectivement 15 à 30 %, 5 à 10 % et 5 à 15 %
du clinker classique (pour plus de détails voir [75]).
I.2.2. Squelette granulaire
Les granulats proviennent dans la plupart des cas des roches naturelles. Leur utilisation
pour la confection d’un béton est motivée par le faible coût volumique, par une meilleure
durabilité et stabilité volumétrique par rapport au mélange ciment-eau [5]. La forme, la texture
de la surface et la concentration en granulats influent d’une manière considérable sur le
comportement du béton à l’état frais.
La résistance du béton est fonction du rapport eau/liant, la maniabilité du béton frais est
quant à elle surtout affectée par la granulométrie des granulats. La granulométrie désirée est
déterminée selon la surface spécifique du granulat, le volume relatif occupé par le granulat, la
maniabilité du mélange et la tendance à la ségrégation et diminuent le ressuage du béton frais
[6]. La majorité des granulats peut être considérée comme inerte et inactive (développement
d'un lien avec le ciment sans influence significative sur le procédé de durcissement ni la
solidité).
I.2.3. Eau
L’eau présente dans le béton joue deux fonctions principales: Elle lui confère sa
maniabilité à l’état frais (ses propriétés rhéologiques) et assure l’hydratation du ciment. L’eau
est constituée de molécules polaires de H2O dont la taille est approximativement égale à 1
angström ِ◌. Ces particules exercent les unes sur les autres des forces d’attraction qui jouent un
rôle fondamental sur ses propriétés rhéologiques.
L’eau étant un milieu diélectrique, elle modifie les forces intergranulaires. Son action
n’est pas négligeable pour les grains très fins (tels que les ciments et les fines).
L'eau donne au béton sa maniabilité, d'une part par son action lubrifiante sur les
différents grains, d'autre part par la cohésion due à la pâte provoquée par l'association des
grains fins (ciment et fines) [24].
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L'eau permet l'hydratation du ciment et donc le durcissement du béton. Rappelons qu'un
ciment portland demande environ 25 % de son poids en eau pour s'hydrater complètement
(sous réserve des problèmes de floc et d'expansion).
I.2.4. Les ajouts
I.2.4.1. Définition
Les ajouts pour béton sont des matériaux présentant une granulométrie très fine que l'on
incorpore le plus souvent au ciment, quelque fois également au béton. Les ajouts permettent
soit d'améliorer les caractéristiques du béton ou de lui conférer des propriétés spécifiques.
Les ajouts sont souvent meilleur marché que le ciment Portland et permettent d'obtenir
un ciment composé ou varié et plus économique. Contrairement aux adjuvants, les ajouts
doivent être pris en compte dans le calcul de la composition du béton.
Des ajouts, tels que les cendres volantes, les fillers, les laitiers, etc.., entrent dans la
majorité des compositions du ciment dans le but d’améliorer ses caractéristiques rhéologiques
et/ou mécaniques.
On obtient ainsi un liant de composition binaire voire tertiaire. Les pays industrialisés
tels que les États-Unis, la Russie, la France, l'Allemagne, le Japon et l'Angleterre, sont les plus
grands producteurs de cendres volantes, de fumée de silice et de laitier de haut fourneau. La
Chine et l'Inde produisent également des quantités importantes de cendres de balles de riz[27].
I.2.4.2. Classification des ajouts
L’un des moyens efficaces qui existe pour augmenter la production du ciment est
d’utiliser des ajouts qui peuvent être naturels ou artificiels, inertes ou actifs [66].
Les ajouts peuvent réagir en tant que matériau hydraulique, hydraulique latentes
ou pouzzolanique, ou encore sous forme de fillers.
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Les ajouts se divisent selon leur réactivité comme le montre le tableau (I.1).
Type
Réactivité
M atériaux
hydraulique
fortement
réactif
fortement
réactif
ciments spéciaux, chaux hydraulique
hydraulique
latent
pouzzolanique
laitier granulé (laitiers de haut fourneaux vitreux
granulé), cendres riches en calcium (cendres volantes
calciques)
fum ée de silice
pouzzolanique
cendres volantes pauvres en calcium (cendres
volantes siliceuses), pouzzolanes naturelles (verres
volcaniques, tufs volcaniques, trass, phonolithe,
terres à diatomées)
scories cristallines
fortement
réactif
pouzzolanique moyennement
réactif
inerte
faiblement
réactif
pas réactif
filler (farine calcaire et poudre de quartz), fibres,
pigments colorants, m atières expansives, dispersions
synthétiques
Tableau I.1 : Classification des ajouts selon leur réactivité, d’après [31].
I.2.4.3. Effet pouzzolanique des ajouts :
En principe les matériaux hydrauliques, hydrauliques latentes et pouzzolaniques
contiennent les mêmes composants chimiques. Les proportions sont toute fois différentes. Les
liants hydrauliques sont des matières qui durcissent dans l'eau et qui sont ensuite insolubles
dans l'eau (ciment Portland, chaux hydraulique).
Les substances hydrauliques latentes contiennent moins d'oxyde de calcium que le
ciment Portland et ne réagissent de fait pas avec l'eau. Ce n'est que lorsque le ciment Portland
a formé suffisamment d'hydroxyde de calcium que le laitier et les cendres volantes riches en
chaux peuvent être rendues hydrophobes dans le milieu alcalin. On obtient alors les mêmes
produits hydratés que pour le ciment Portland, seulement les proportions sont différentes.
Dans cette procédure, l'hydroxyde de calcium intervient en qualité d'activateur et non de
partenaire réactif.
Les substances pouzzolaniques contiennent, encore moins, voire pas d'oxyde de
calcium. L'hydroxyde de calcium issu de l'hydratation du ciment Portland n'intervient par
conséquent pas uniquement en qualité d'activateur, mais il est nécessaire en tant que réactif.
Les substances pouzzolaniques peuvent réagir fortement, moyennement ou faiblement
contribuant ainsi plus ou moins à la résistance et à l'étanchéité du béton.
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La fumée de silice représente dans ce groupe l'activité la plus importante, parce qu'elle
possède la plus faible part cristalline et la plus grande surface spécifique.
Les substances inertes ne réagissent pas avec les composants du ciment. La substance
inerte la plus importante est la poudre de chaux, utilisée comme substitut de matériaux fins.
L'adjonction de fibres améliore le comportement à la rupture du béton. Les pigments
sont utilisés pour l'aspect esthétique [33].
Les ajouts présentent une activité liante croissante avec leur quantité et leur finesse, leur
composition minéralogique et le type de ciment influent sur la durabilité également. En termes
pratiques, cette activité liante se traduit par un gain de résistance [7].
Notons que la finesse favorise l’effet physico-chimique des ajouts. En effet, la présence
d’un grand nombre de particules submicroniques dans la matrice cimentaire autour des grains
de ciment multiplie les possibilités de germination des produits hydratés et développe la
complexité microstructurale et l’efficacité des liaisons [72].
I.2.4.4. Comportement du ciment avec ajout
Le comportement du ciment avec ajout minéral est déterminé par trois caractéristiques
de la réaction pouzzolanique de l'ajout [72].
1/- La réaction est lente, le dégagement de chaleur et le développement des résistances seront
également lents.
2/- Au lieu de fournir de la chaux, comme dans le cas du ciment Portland, la réaction
pouzzolanique consomme et améliore la résistance du béton en milieu agressif.
3/- Les produits d'hydratation remplissent les pores capillaires et augmentent la résistance et
l'imperméabilité des bétons.
I.2.4.5. Enjeux environnementaux
La clinkérisation est la partie la plus importante du procédé de fabrication du ciment
pour ce qui concerne la consommation d'énergie et les rejets dans l'atmosphère du fait de la
nécessité d’atteindre une température d’environ 1500 °C [72].
Les principaux rejets en terme de volume sont le dioxyde de carbone (CO2), les oxydes
d'azote (NOx), le dioxyde de soufre (SO2) et les poussières [69].
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Dans le secteur cimentier, les émissions de (CO2) sont les plus importantes. En effet,
pendant la cuisson des matières premières calcaires, le carbonate de calcium est transformé en
oxyde de calcium, laissant s'échapper le dioxyde de carbone (CO2) contenu dans le calcaire.
Les sources d’émissions de (CO2) comprennent donc l’utilisation de combustibles pour la
production d’énergie et la décarbonatation du calcaire [71].
Le développement durable du béton permet entre autre de réduire l'émission des gaz a
effet de serre, la production d'une tonne de ciment génère environ la même quantité de (CO2)
dans l'atmosphère. Le remplacement d'une partie du ciment par des ajouts cimentaires
permettra de diminuer de façon systématique la quantité de (CO2) émise [71].
I.2.4.6. Bénéfices de l’utilisation des ajouts minéraux
A/- Bénéfices fonctionnels
–
Incorporation des particules fines améliore la maniabilité et réduit la
demande en eau (à l’exception des ajouts d’une grande finesse).
–
Prise et durcissement
pour
les ajouts qui interviennent dans le
processus réactionnel du ciment avec l’eau.
–
Il y a une amélioration des propriétés mécaniques et de la durabilité du
béton.
–
Il y a une diminution de la chaleur d’hydratation dégagée du béton, ce qui
diminue la fissuration d’origine thermique.
B/- Bénéfices économiques
–
La plupart des ajouts minéraux sont des sous-produits de différentes
industries et leur coût est souvent égal au coût du transport et de la
manipulation.
–
Comme la production du ciment est un grand consommateur d’énergie, son
remplacement par des ajouts minéraux réduit le prix du béton pour le coût
du combustible.
C/- Bénéfices écologiques et environnementaux
–
Diminution de l’émission du (CO2) par l’industrie cimentière.
–
Elimination des sous-produits de la nature.
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I.2.4.7. Pouzzolane
I.2.4.7.1. Définition
Les pouzzolanes sont exploitées pour la production des ciments composés économiques.
Elles sont des matériaux naturels ou artificiels riches en silice et en alumine capables de réagir
avec la chaux en présence de l’eau et de former à l’issue de cette réaction des produits
manifestant des propriétés liantes [11, 44].
Les avantages du remplacement partiel du ciment par les matériaux pouzzolaniques sont
divers: Ils participent au renforcement de la résistance aux attaques chimiques,
- en renforcement l’imperméabilité et de la durabilité,
- à la réduction des réactions alcalins agrégats et du retrait au séchage.
Ils permettent la réduction de la quantité de clinker utilisée dans la composition du
ciment. [10, 11]. (Figure I.1).
Les ciments aux pouzzolanes sont obtenus en mélangeant les produits pouzzolanique
finement broyés avec le portland.
Ca (OH) 2 + (n-1)H2O + SiO2 (reactive)
CaO-SiO2-nH2O
(La réaction pouzzolanique forme le CSH stable dans l’eau), [37].
Figure I.1 : Pouzzolane naturelle granulée
I.2.4.7.2. Classification des pouzzolanes
Les pouzzolanes sont classées suivant :
–
Leur activité.
–
Leur nature.
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A/- Suivant leurs activités : On distingue trois groupes de pouzzolanes, [14]

Pouzzolane hautement activée : Fumée de silice.

Pouzzolane moyennement activée :
o Cendres volantes pauvres en calcium (cendre volante siliceuse).
o Pouzzolanes
naturelles
telles
que :
verres
volcaniques,
tufs
volcaniques, trass, terres à diatomées.

Pouzzolanes faiblement actives : scories cristallines.
B/- Suivant leur nature de provenance : On distingue trois groupes de pouzzolanes, [45].
–
Pouzzolanes naturelles d’origine volcanique : Essentiellement composées
de silice, d’alumine et de ferrite, ayant naturellement des propriétés
pouzzolaniques. (Ex : verres volcaniques, pierres ponces, tufs volcaniques,
zéolite, trass, rhyolite…).
–
Pouzzolanes naturelles d’origine sédimentaire : Essentiellement composées
de silice jusqu'à 98% (Ex : terres à diatomées, tripoli, gaize).
–
Pouzzolanes artificielles : Roches traitées thermiquement (argile, schiste,
latérite…). Briques et tuiles pulvérisées (appelées tuileaux), déchets
industriels (cendres volantes, fumées de silices de centrales thermiques).
I.2.4.7.3. L’activité pouzzolanique
Les pouzzolanes naturelles sont des roches acides ayant des teneurs élevées en silice
puis en alumine et en fer, en alcalins, en magnésie et en chaux. La somme (silice + alumine),
varie souvent de 70 à 80 %. Les pouzzolanes naturelles d’origine sédimentaire on des teneurs
en silice encore plus élevée. Bien que le caractère pouzzolanique soit lié à la quantité de la
chaux susceptible d’entrer en réaction, c’est à dire à la réactivité pouzzolanique, la corrélation
entre cette caractéristique et la résistance du ciment pouzzolanique n’est pas très bonne.
Le rapport entre le clinker et l’ajout pouzzolanique est établi en fonction de l’activité
de ce dernier et de la composition minéralogique du clinker (teneur en C3S). Plus, l’ajout est
actif, plus, il peut fixer l’oxyde Ca(OH)2 de calcium hydraté [43]. La diminution de la chaux
libre dans les ciments à la pouzzolane est principalement attribuée à la consommation de cette
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chaux par l’ajout pouzzolanique. Il est aussi clair que la chaux libre diminue avec la quantité
de pouzzolane ajoutée (voir figure (I.2)) [25].
Figure I.2: Teneur en chaux libre dans différentes pâtes de ciment
pouzzolaniques, d’après [23].
I.2.4.7.4. Utilisations
A/- Liants à bas coût énergétique
On peut ajouter des pouzzolanes à du clinker et du gypse (et à d’autres constituants
secondaires) afin de réaliser des liants à ajouts comme en France les CPJ. Ou encore comme en
Italie des liants à 33 % de pouzzolanes naturelles.
B/- Ajouts aux mortiers et aux bétons
Des pouzzolanes broyées peuvent être ajoutées à raison de 50 à 100 Kg/m3 afin
d’améliorer les propriétés des mortiers et des bétons à l’état frais ou durci. Il s’agit par
exemple de béton transporté par canalisation, de béton coulé en grande masse, de béton
destiné à des ouvrages maritimes [50].
I.2.4.7.5. Actions de la pouzzolane sur les qualités des ciments
A l’état frais, les pouzzolanes améliorent l’ouvrabilité, la plasticité, la rétention d’eau et
une bonne homogénéité couplées à une réduction de la tendance au ressuage. Réduit la chaleur
d’hydratation, Cet effet se traduit par une réduction sensible de la fissuration, et de la tendance
à la ségrégation du béton frais sont les avantages incontestables d’un ajout lors de bétonnages
de masse [2].
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A l’état durci, les pouzzolanes (réaction lente) améliorent la résistance aux eaux
agressives et permettent une fixation progressive des alcalis, des ciments (propriété
intéressante dans le cas d’une attaque possible des granulats).
Amélioration de la cohésion interne ainsi qu’une augmentation de compacité de la pâte
de ciment. La réduction de porosité qui en découle pour toute la matrice ciment se traduit par
une série d’effets très favorables:
–
Accroissement de la résistance finale.
–
Légère diminution du retrait et du fluage.
–
Réduction de la perméabilité à l’eau jusqu’à des valeurs d’étanchéité.
–
Amélioration de la résistance aux sulfates, aux chlorures et à d’autres types
d’agressions chimiques.
–
Protection des armatures contre la corrosion.
–
Une réduction générale de la teneur en hydroxyde de calcium dans le béton
avec deux conséquences bénéfiques :
–
Une réduction notable du risque d’apparition d’efflorescences de chaux sur
les faces exposées du béton.
–
Une très nette amélioration de la résistance du béton aux eaux douces. En
effet, les eaux naturelles contiennent souvent du gaz carbonique libre.
Celui-ci s’attaque à l’hydroxyde de calcium contenu dans la pâte de ciment
en le solubilisant. Il en résulte une augmentation de la porosité et donc une
diminution générale de la résistance.
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I.2.4.8. LES FILLERS
I.2.4.8.1. Définition
Les normes Françaises (1979) définissent les fillers de la façon suivante: Produits
obtenus par broyage fin ou par pulvérisation de certaines roches (calcaires, basaltes,
laitiers, cendres volantes..) naturels ou non. Le filler calcaire est un matériau très finement
broyé, dont les plus gros grains ne dépassent pas 80 microns, ayant une finesse à peu près
identique à celle du ciment Portland. Il a pour rôle de remplir les vides entre les sables et les
graviers. Selon la norme NF P 15-301, la teneur en filler calcaire est limitée à 5% de la masse
du ciment. Compte tenu des liaisons électriques entre cations et anions rompus par broyage du
clinker et du gypse, on trouve à la surface des grains de ciment des sites chargés
électriquement. Ces grains sont généralement chargés négativement selon Bombled [10]. Il y a
trois fois plus de charges négatives que positives.
Une des raisons qui motivent l'utilisation des fillers est la réduction du coût de
production. En France, vers 1996, le prix des fiIlers calcaires était environ cinq fois plus faible
que celui du ciment. Les réductions de coût de production et une accessibilité importante sont
à l'origine de l'utilisation relativement courante des fiIlers calcaires en France. Le composant
principal est le carbonate de calcium, présent sous forme de calcite.
I.2.4.8.2. Mode d’action des fillers
Les fillers se différencient les uns des autres par : leurs origines, leurs compositions
chimiques et minéralogiques, leurs défauts de structure, les impuretés qu’ils contiennent, leur
finesse, la forme des grains, leur état de surface, leur dureté, leur porosité.
Les fillers sont inertes, s’ils n’ont aucune action chimique sur les ciments en présence
d’eau, ils sont actifs s’ils ont même partiellement, des propriétés hydrauliques ou
pouzzolaniques en présence de ciment et d’eau.
I.2.4.8.3. Actions des fillers sur les qualités des ciments
Agissant principalement
grâce
à une granulométrie appropriée par leurs propriétés
physiques sur certaines qualités du ciment:
–
Accroissement de maniabilité.
–
Diminution de perméabilité.
–
Diminution de capillarité.
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CHAPITRE I
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–
Réduction de la fissuralité.
–
Il limite le ressuage.
–
Augmente la cohésion.
–
Facilite le démoulage immédiat.
–
La stabilité du béton est améliorée mais un réducteur d’eau est nécessaire
pour compenser l’eau de mouillage supplémentaire.
I.2.4.8.3.1. Action sur la porosité
Les fillers calcaires auraient tendance à modifier la densité des C-S-H. En général la
densité des C-S-H d'échantillons de pâtes contenant du CaCO3 (corrigée en prenant en compte
la présence de portlandite, de CaCO3 et de C3S anhydre) est légèrement plus importante.
Cependant cette relation dépend également du degré d'hydratation des matériaux. La densité
d'une pâte de C3S incorporant du carbonate de calcium est par contre plus faible dans le cas de
l'utilisation de CaCO3 [7].
À un certain degré d'hydratation, une pâte de C3S ne contenant pas de CaCO3 a une
porosité totale plus faible. Cependant durant les sept premiers jours d'hydratation, une pâte
contenant par exemple 15% de CaCO3 peut posséder une porosité plus faible, due des degrés
différents d'hydratation comparativement à une pâte du même âge sans CaCO3 [8].
I.2.4.8.3.2. Action sur les propriétés mécaniques
Beaucoup d'articles ont été écrits pour relier présence de fillers calcaires avec résistance.
Pour beaucoup la résistance serait améliorée, ou au moins équivalente dans le cas d'addition.
Soroka et Setter [71] expliquent notamment une amélioration des propriétés mécaniques
par une densification de la matrice obtenue.
Le broyage concomitant avec celui des fillers ne favorise pas une bonne répartition de
particules en taille. Notamment la plus grande part de clinker dans les larges particules ne
favoriserait pas le développement de la résistance au jeune âge [51].
I.2.4.8.3.3. Réactivité directe des fillers calcaires
Longuet, Beuglen et Zelwer [42] ont introduit la notion de filler inerte ou actif. Ils ont
propose d'étudier la réactivité avec le C3A comme évaluation de la réactivité hydraulique d'un
filler calcaire donné. En effet, il a été démontré que le CaCO3 peut réagir avec le clinker. Des
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analyses de diffraction aux rayons (X) a permis de détecter la présence de carboaluminates de
calcium hydratés dans des pâtes de ciment. Ces produits pourraient se former en présence ou
non de gypse dans le mélange [36]. La formation de carboaluminates de calcium hydratés est
vue comme analogue à celle de l'ettringite [38]. Il y a composition entre SO4 et CO3 pour
réagir avec les aluminates de calcium.
La participation directe du carbonate de calcium (introduit par le biais de l'addition de
fillers calcaires) à la réaction avec hydraté de formule C3 A.CaCO3.11H2O .La forme
C3A.3CaCO3.27H2O aurait été identifiée dans un mélange cimentaire avec CaCO3 [38].
I.2.4.8.3.4. Réactivité indirecte des fillers calcaires
Le gypse réagit plus vite avec l'aluminate tricalcique pour former de l'etringite lorsque
du carbonate de calcium est présent dans le mélange, selon Klemm et Adams [38]. Cela
proviendrait de la réaction du CaCO3 sur la surface des grains de C3A formant une membrane
plus perméable de plaquâtes hexagonales. La conversion d'ettringite en monosulfoaluminate
hydraté est aussi accélérée [63].
Des observations au microscope électronique à balayage ont montré que les produits
d'hydratation se font sur les particules de C3S et aussi de CaCO3, confortant ainsi l'idée du
carbonate de calcium comme éventuel site de nucléation [63].
L'addition de CaCO3 augmente le taux d'hydratation du silicate tricalcique [63].
Cet effet serait d'autant plus important que la finesse des particules ajoutées diminuerait
et que la quantité de carbonate de calcium ajoutée serait accrue.
Le carbonate de calcium accélérerait l'hydratation du silicate tricalcique comme le
dichlorure de calcium .mais sans toutefois diminuer la période d'induction [63].
L'effet accélérateur est particulièrement marqué pour une teneur optimale en CaCO3.
Après cet optimum, il pourrait bloquer la dissolution et la cristallisation de produits
d'hydratation [63].
Cela pourrait provenir du fait que des particules de CaCO3 seraient incorporées dans la
phase des C-S-H. Plus la quantité de CaCO3 incorporée serait grande, plus cette partie prise
par les C-S-H serait importante, du moins jusqu'a une valeur de 25% [63].
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I.2.4.8.4. Utilisation
Les fillers s’utilisent en ajout aux mortiers ou aux bétons, afin de corriger
la
granulométrie et d’augmenter la capacité (principalement, cas du béton prêt à l’emploi, du
béton manufacturé). Les fillers constituent, par ailleurs, des ajouts ou des charges parfois
utilisés dans certains adjuvants (plastifiants, hydrofuges) dans les mortiers prêts à l’emploi,
des enduits, des ciments, colles des peintures, des bétons bitumineux.
I.3. HYDRATATION
Après le malaxage de l'eau et du ciment la pâte de ciment fluide durcit parce que l'eau
est absorbée dans les minéraux de clinker amorphes en formant la pâte de ciment. Les
réactions chimiques qui se déroulent à cette occasion sont appelées hydratation.
I.3.1. Aspects cinétiques et prise
Les grains de ciment réagissent à leur surface avec l'eau de gâchage, la réaction
chimique commence. De très petits produits d'hydratation en forme d'aiguille précipitent et
enveloppent les différents grains de ciment (couche fine). Pour que l'hydratation se poursuive,
l'eau doit diffuser à travers les pores de gel de la couche de gel de ciment devenant de plus en
plus dense et de plus en plus épaisse, jusqu'à ce qu'elle atteigne le noyau non hydraté.
L'hydratation qui est de plus en plus lente n'est jamais entièrement achevée. Une petite
partie du ciment reste non hydraté.
Le grain de ciment hydraté grossit et double à peu près son volume initial. La
modification de la résistance à la déformation ou l'augmentation de la résistance pendant
l'hydratation se subdivise en plusieurs phases.
Au fil du temps, le béton frais perd sa consistance initiale et prend, jusqu'à ce qu'il ne
soit plus ouvrable. Puis le béton se solidifie. Enfin, lorsque la résistance devient mesurable
(env. 0.1 N/mm2) on parle de béton durci [33].
La vitesse d'hydratation dépend :
–
de la température du béton frais et de la température ambiante,
–
de la nature et de la finesse du ciment,
–
de la teneur en ciment et du rapport E/C du béton,
25
CHAPITRE I
–
REVUE DE LA DOCUMENTATION
de la nature des adjuvants et de leur dosage.
L’hydratation d’un matériau cimentaire fait référence à l’ensemble des réactions entre
les différentes phases du ciment (C3S, C2S, C3A, C4AF) et l’eau de gâchage. Ces réactions
sont exothermiques et sont responsables de la prise et du durcissement des matériaux
cimentaires. Le matériau passe alors d’un état de suspension de particules floculées à celui de
solide viscoélastique.
L’hydratation du ciment est un processus très complexe du fait que les réactions de ses
différents constituants se déroulent simultanément à des cinétiques différentes et que celles-ci
peuvent s’interférer (ex: couplage thermique des réactions). Dès le contact avec l’eau, les
différentes phases du ciment se dissolvent superficiellement et libèrent des ions de calcium
(Ca2+), des ions d’hydroxyde (OH-), des ions silicates (SiO4H22-, SiO4H3-, SiO7H42-), des ions
aluminates (Al5(OH)4-, AlO2 -) et des ions sulfates (SO42-).
La vitesse d’hydratation des diverses phases du
ciment est différente. L’aluminate
(C3A) réagit très rapidement et cette réaction est fortement exothermique. En absence de
sulfate (provenant du gypse), l’écran d’éttringite ainsi formé bloque l’hydratation des autres
constituants du ciment et plus particulièrement le C3S. Par rapport au C3S, le C2S réagit
beaucoup plus lentement (10 à 20 fois plus lent) et il n’a pas de rôle majeur sur la structuration
de la pâte de ciment à l’état frais.
Voici donc les principales transformations du ciment portland:
Alite + Eau = C-S-H + Chaux
Bélite + Eau = C-S-H + Chaux
Aluminates tricalcique + Sulfates + Eau = Ettringite
Aluminates tricalcique + Ettringite + Eau = Monosulfoaluminate
Aluminoferrite tétracalcique + Eau + Hydroxyde de Calcium = Alurninofemte de Calcium
hydraté
N'y a pas ou plus de sulfates:
Aluminates Tricalcique + Eau = Hydrogrenats
26
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
I.3.2. Chimie d’hydratation du ciment Portland avec ajouts
Les différents ajouts minéraux affectent la cinétique de la réaction d’hydratation en
raison de leur composition chimique, de leur réactivité, de leur granulométrie ainsi que la
forme de leur élément.
La réaction pouzzolaniques se produit par consommation de portlandite, les fumées de
silice (SiO2) permet une réduction de la teneur en Ca(OH)2 et par conséquent une
augmentation de la résistance du mélange.
Les bétons dans lesquels des pouzzolanes remplacent une partie du ciment portland
témoignent d’un développement de la résistance plus lent que les bétons avec clinker portland,
et d’un plus fort durcissement ultérieur en prenant de l’âge, et exige un apport d’humidité
suffisant pendant plus long temps [2].
Parmi les facteurs qui caractérisent l’influence des pouzzolanes sur les propriétés du
ciment et béton durci: La réaction relativement lente, la consommation d’hydroxyde de
calcium, et l’action sur la structure poreuse de la pâte de ciment durcie [2].
I.3.2.1. Hydratation et réaction pouzzolanique
Les pouzzolanes sont composées de mêmes principaux oxydes que le ciment portland,
mais de proportions et composition minéralogique différentes. Gardent une teneur élevée en
dioxyde de silicium, ou en dioxyde de silicium et oxyde d’aluminium combinés et ils sont
pauvres en CaO2 ce qui le contraire pour le ciment portland. Par conséquent, l’hydroxyde de
calcium est produit de CaO en excès durant l’hydratation du CPA et sert comme la principale
source d’alcalinité pour l’activité pouzzolanique, pour la conversion de SiO2 du pouzzolane en
C-S-H. L’alcalinité du béton est due à Ca(OH)2 crée par l’hydratation du ciment portland [15].
Les pouzzolanes ont une réaction pouzzolanique. Cela signifie qu’en présence d’eau et
d’hydroxyde de calcium, elles se transforment en silicate de calcium et aluminate de calcium
hydraté développant des résistances.
La composition et la structure de ces composés sont pareilles à celles des produits
d’hydratation du clinker portland (CSH, C4AH13, C8AFH26, C6AS3H32) [47].
Les mécanismes de cette formation sont toutefois très divers. Ils sont représentés d’une
manière très simplifiée dans les figures (I.3) et (I.4).
27
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Au cours de l’hydratation du ciment Portland (figure (I.3)), il se forme sur chacun des
grains une couche de produits d’hydratation qui devient de plus en plus épaisse (d’abord
principalement du CSH), alors que l’hydroxyde de calcium également formé se sépare
partiellement de la solution interstitielle, sous forme de cristaux hexagonaux en paillettes [1].
La situation est différente en présence de pouzzolanes (figure (I.4)), le point de départ des
réactions est ici aussi l’hydratation du clinker de ciment portland, avec la formation de silicate
de calcium hydraté (CSH) et d’aluminate de calcium hydraté (CAH).
Figure I.3 : Hydratation du clinker de ciment Portland, d’après [29].
Figure I.4 : Hydratation du ciment à la pouzzolane, (modifié selon [29])
I.3.2.2. Chaleur d’hydratation de la pouzzolane
Le remplacement du ciment par une pouzzolane diminue de façon significative la
chaleur d'hydratation du ciment, et par conséquent la fissuration d’origine thermique du béton
[25].
Des valeurs de chaleur d’hydratation après 7 jours étaient déterminées à partir des
pâtes de ciment portland mélangé avec 25 % et 35 % d’ajout pouzzolanique (voir figure
(I.5)).
Les additions pouzzolaniques provoquent une diminution quasi linéaire dans la chaleur
d’hydratation des pâtes. Elles réduisent la chaleur d’hydratation à 7 jours de 9 % et 17 % pour
25 % et 35 % d’additions pouzzolaniques, respectivement [48].
28
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Figure I.5: Effet de pouzzolane sur la chaleur d’hydratation
de ciment Portland, d’après [35].
La chaleur d’hydratation des mortiers à base de ciment à la pouzzolane, durant les
premières heures, augmente avec l’activité pouzzolanique de l’ajout de pouzzolane. Alors
qu’après 5 heures la chaleur d’hydratation est inférieure à celle de mortiers de base, parce
que le pourcentage de substitution de ciment neutralise la chaleur de la réaction pouzzolanique
et l’influence de la substitution prédomine sur l’effet de l’activité pouzzolanique [41].
La figure (I.6) représente le comportement de différents mortiers fabriqués par différents
matériaux pouzzolaniques, avec une référence zéro qui montre la chaleur développée par les
mortiers à base de CPA. Ce tracé couvre les premières 14 heures de l’essai, puisque après 48
heures, la chaleur commence à se stabiliser.
Figure I.6: Chaleur d’hydratation en fonction du temps, d’après [67].
29
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Après 5 heures la pouzzolane naturelles, d’origine sédimentaire (87.7% de SiO2),
montre une diminution dans la chaleur d’hydratation mais cette diminution reste plus faible
que celle due à la cendre volante (pouzzolane artificielle, 41.5% SiO2). Alors que le mortier à
base de fumée de silice retarde ce phénomène jusqu'à 10 heures à cause de sa grande activité
pouzzolanique.
Quand on avait 10% de substitution de ciment par la fumée de silice (93.3% de SiO2) le
phénomène précédant n’est pas vu, puisque le degré de substitution n’est pas suffisant pour
compenser la chaleur dégagée durant la réaction pouzzolanique [41].
I.3.2.3. Influence de la finesse de mouture sur l’activité du pouzzolane
Les résultats d’une série d’expériences ont montré que par l’augmentation de la finesse
du 25% d’ajout de 3650 cm²/g à 5000 cm²/g les résistances à tous les âges étaient améliorés de
24% [46].
L’ajout pouzzolanique peut changer la structure des pores, fait diminuer le nombre de
gros pores et augmente celui de petits pores. Ce changement est fonction de la finesse de la
pouzzolane, plus les particules sont fines, plus leur rôle est efficace [17].
I.4. MICROSTRUCTURE DES MATERIAUX CIMENTAIRES
Le processus d’hydratation d’un ciment conduit à un matériau durci composé de plusieurs
«phases» [26] de l’agencement desquelles résulte la structure et la texture de la pâte. Ces
différentes "phases" peuvent être:
–
Des particules de ciment non hydraté ou partiellement hydraté.
–
La pâte de ciment, elle-même de microstructure complexe, contenant plusieurs
types d’hydrates, de la portlandite et des pores.
–
Des bulles d’air, qui constituent une sous-famille spécifique de pores.
Il existe une relation aujourd’hui bien comprise entre la microstructure des ciments et
leurs propriétés mécaniques. Elle concerne l’influence néfaste des pores capillaires (porosité à
l’échelle supérieure au micromètre) sur la résistance du matériau [20].
30
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
I.4.1. Les silicates de calcium hydraté (CSH)
–
Le C-S-H est un gel solide poreux ayant une structure en feuillet et formé de
cristaux très petits (20 à 30 angströms). Les forces de Van der Walls sont en partie
responsables de la cohésion de ce gel.
–
Le PH de la solution interstitielle contenant les C-S-H est très alcalin (il est
voisin de 13). A des PH plus faibles, il peut y avoir lixiviation des ions Ca2+.
–
Les C-S-H subissent alors des transformations qui peuvent augmenter leur
porosité et diminuer les propriétés mécaniques.
–
La porosité du gel de C-S-H représente environ 28 % du volume total du gel.
–
Les pores de gel sont extrêmement fins, ils contribuent très peu à la perméabilité
de la pâte et du béton.
–
La famille des C-S-H est formée d’une grande variété de silicates de calcium
hydratés. Une des caractéristiques importantes qui différencie ces espèces est le
rapport molaire entre la quantité de calcium et de silicium (rapport C/S). Dans une
pâte de ciment ce rapport est compris entre 1,5 et 1,9 [28].
–
Pour des C-S-H de synthèse (C-S-H non formés à partir de ciment), il est compris
entre 0,5 et 2 suivant les conditions de synthèse. Certains auteurs [28] considèrent
qu’il existe plusieurs " phases " C-S-H différenciées par leur rapport C/S. {Que ce
soient les C-S-H (I) et C-S-H (II) pour Taylor [28] ou les C-S-H (α) et C-S-H (β)
pour Nonat [23]}. Toutefois, leur différenciation dans une pâte de ciment n’a pas
encore été démontrée.
I.4.2. La chaux hydraté (CH ou portlandite)
–
La portlandite joue un rôle primordial sur la durabilité du béton mais participe peu
au développement de sa résistance mécanique.
–
La portlandite a une morphologie hexagonale prismatique (la morphologie est très
variable en fonction des paramètres de composition du béton).
–
Elle est produite à la suite de l'hydratation du C3S et C2S.
–
Dans la pâte de ciment hydraté, elle devient instable (lixiviation) lorsque le PH
devient inférieur à environ 12,5.
31
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
I.4.3. Les aluminates hydraté
Ils occupent de 15 à 20% du volume de la pâte hydraté. On les retrouve généralement sous
deux formes :
–
Ettringite (trisulfoaluminates) aiguilles prismatiques.
–
Monosulfoaluminates (plaquettes hexagonales) [3].
I.5. LA DURABILITÉ
La durabilité définit la durée de la persistance de certaines caractéristiques et aspect de leur
évolution dans le temps sous l’effet des agents agressifs de l’environnement.
La performance décrit l’ensemble des caractéristiques physico-mécaniques, de la résistance
aux agressions chimiques et de la durabilité vis-à-vis d’exigences imposées.
La durée de vie décrit la période de temps après sa mise en oeuvre durant laquelle toutes les
propriétés d’un matériau dépassent le seuil minimal acceptable. Un matériau a une durée de
vie limitée car il subit graduellement des modifications chimiques, physiques et mécaniques
qui réduisent sa performance.
I.5.1. Les pores
I.5.1.1. Définition
Les pores sont des cavités vides ou remplies d'eau dans le béton durci. La porosité est le
rapport entre le volume de vides Vv et le volume total Vt d'un corps. La porosité est une
propriété volumétrique représentant le contenu des pores qui ne sont pas nécessairement
interconnectés, alors que la perméabilité est une propriété d'écoulement qui caractérise la
facilité avec laquelle un matériau poreux se laisse traverser par un fluide.
Fagerlund, a déterminé la courbe représentant la résistance en fonction de la porosité
pour des différents mortiers et béton, il découvrit que les courbes obtenues entre la résistance
du béton et la porosité du béton et mortier ont les mêmes formes que celles de la résistance de
la pâte de ciment.
La porosité est une caractéristique importante des matériaux cimentaires qui lui
confèrent plusieurs caractéristiques telles que sa perméabilité, sa résistance, sa durabilité et
son comportement rhéologique. On distingue les pores contenus dans les granulats de ceux se
32
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
trouvant dans la pâte de ciment. La taille et le volume des pores situés à l’intérieur des
granulats n’évoluent pas avec le temps et ils influent sur la résistance du béton à la corrosion.
Plus la porosité diminue, plus les propriétés mécaniques augmentent et plus la perméabilité
diminue (Figure I.7).
Les bétons faiblement poreux sont en général plus durables puisque leur faible
perméabilité retarde la pénétration de l'eau, et des autres agents potentiellement agressifs
(sulfates, CO2, Cl-, etc.…).
Figure I.7: Relation entre la perméabilité, la résistance à la compression et le niveau de
porosité du béton, [46].
I.5.1.2. L’influence de rapport E/C sur la porosité
Le rapport eau/ciment exerce une grande influence sur la porosité de la pâte de ciment
hydraté car il gouverne directement l'espacement initial entre les grains de ciment en
suspension dans l'eau de gâchage. Sur la figure I.8, on voit clairement que plus le rapport E/C
est faible, plus, initialement, les grains de ciment sont rapprochés les uns des autres.
Les espaces à combler entre les grains de ciment sont moins grands et il y a moins de
chance d'avoir un grand vide ne pouvant pas être complètement rempli par les hydrates.
33
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Figure I.8 : Représentation schématique de la pâte de ciment à l'état frais et à l'état durci,
[26].
Même une très faible quantité d'hydrates peut permettre de combler les espaces inter
granulaires. C'est en partie ce qui explique que les bétons avec E/C faible développent très
rapidement leur résistance par leur moindre porosité.
L’influence du paramètre E/C sur l’avancement de l’hydratation est très complexe.
D’après Boivin [66], de faibles valeurs du rapport E/C entraînent un ralentissement des
réactions d’hydratation au jeune âge. Une concentration élevée en C-S-H est obtenue plus
rapidement quand la quantité d’eau interstitielle est faible. Au-delà de cette période, une
baisse du E/C produit l’effet contraire. Powers [57] explique ceci par le fait qu’à faible teneur
en eau, la quantité d’eau disponible pour l’hydratation devient rapidement très rare une fois
que l’eau contenue dans les pores capillaires est épuisée. Ce manque d’eau se traduit alors par
un ralentissement des réactions d’hydratation.
Selon Acker [56] et Barognel-Bouny [75], cette théorie de Powers n’est pas justifiée
étant donné que l’eau retenue entre les feuillets de C-S-H (Eau zéolitique) reste encore
disponible pour l’hydratation lorsque la totalité de l’eau capillaire est consommée. La porosité
du matériau dépend de sa teneur en eau initiale. La taille des pores est d’autant plus petite que
le rapport E/C est faible. Selon Barognel-Bouny [75], les pores des gels sont d’autant moins
importants que le rapport eau/solide est faible. Or, plus les pores sont fins, plus les dépressions
capillaires sont élevées et les pressions baissent beaucoup plus rapidement.
34
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
La figure (I.9) permet de résumer l'influence du E/C sur la porosité de la pâte de ciment
hydraté. On y présente la fraction volumique des constituants de la pâte de ciment hydraté en
fonction du E/C après 100 % d'hydratation (conservation dans l'eau).
Figure I.9 : Proportion volumique des constituants de la pâte de ciment hydraté en fonction
du E/C après 80 % d'hydratation dans l'eau, [32].
En pratique, l'hydratation n'est jamais complète car les plus gros grains de ciment ne
s'hydratent jamais complètement. A un certain stade de leur hydratation, ils sont recouverts
d'une coquille d'hydrates très dense qui empêche l'intérieur du grain de réagir avec l'eau
environnante. C'est pour cette raison qu'en pratique, même dans les pâtes fabriquées avec un
E/C très faible (0,25) il subsiste toujours une certaine porosité capillaire. La réduction du
rapport E/C permet non seulement de diminuer le volume total des pores capillaires mais elle
permet aussi de réduire leur diamètre. Pour un E/C plus faible la porosité capillaire est en fait
constituée d'un réseau de pores plus fin et plus discontinu. Ce phénomène est illustré sur la
figure I.10. En réduisant le E/C de 0,45 à 0,25, le volume total de la porosité passe de 40% à
moins de 20% et, en même temps, le diamètre moyen des plus gros pores est diminué par un
facteur de l’ordre 10.
35
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Figure I.10 : Courbe de porosimétrie au mercure de deux pâtes de ciment conservées pendant
7 jours dans l'eau, [26].
En général, il est préférable que le réseau de pores capillaires soit constitué de pores les
plus petits possibles car le degré d'interconnexion y est plus faible. La perméabilité de la pâte
s'en trouve alors considérablement diminuée car il y a très peu de chemins préférentiels pour
le passage des liquides, des gaz ou des ions potentiellement agressifs. (Figure (I.11)).
Figure (I.11) : Influence du degré d'inter connectivité sur la perméabilité de la pâte.
I.5.1.3. Evaluation de la porosité
Malheureusement pour obtenir un béton maniable, il est donc nécessaire d'utiliser plus
d'eau qu'il en faut pour hydrater toutes les particules de ciment. Cette eau additionnelle qui ne
sera jamais liée à des particules de ciment dans la pâte durcie crée une porosité à l'intérieur de
la pâte durcie ce qui affaibli les propriétés mécaniques du béton et diminue considérablement
sa durabilité.
Parrot [60] a trouvé que pour un ciment dont le rapport E/C est de 0.6 (par masse)
l'échange de l'eau par le méthanol montre que le volume des pores occupé par le méthanol est
seulement de 0.6 % en moyenne de celui occupé par les pores remplis d'eau initialement.
36
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Cette méthode d'échange procure des informations fiables sur la structure.
Notre recherche sera basée sur les travaux de M. Mellas [52] pour continuer de mesurer
la porosité par « l’échange de méthanol », La porosité obtenue par l'échange du méthanol est
calculée seulement pour les échantillons de la pâte du ciment durcie (ou mortier) et ne peut
pas être appliquée aux échantillons de béton.
La détermination de la porosité par le remplacement du méthanol est obtenue par
trempage des échantillons dans une quantité d'eau jusqu'a un poids constant avant de mesurer
le poids ainsi que le volume de l'échantillon saturé superficiellement sec. Les tranches sont,
ensuite immergées dans le méthanol et le décroissement du poids sont contrôlé en fonction du
temps d'immersion.
L'échange complet est indiqué par une aboutie d'un poids constant. Pour éviter une
hydratation supplémentaire, les échantillons sont immergés directement dans le méthanol du
moment que ces échantillons seront utilisés pour la détermination de la porosité totale.
Les valeurs des volumes des tranches sont obtenues par pesage de l'échantillon saturé
par le méthanol avec une surface sèche à l'air puis totalement immergé dans le méthanol. La
densité est obtenue par un densimètre à bouteille; le poids sec de chaque échantillon est
obtenu après qu'il a été entreposé à 20°C sur du gel de la silice pour 48 heures.
Le volume total est obtenu par la formule:
Où:
Vm = (Wm – Wa) / γm
Wa: poids de l'échantillon a l'état sec (g).
Wm: poids de l'échantillon immergé dans le méthanol (g).
γm: densité du méthanol (g/cm3).
Le volume des pores est obtenu à partir du poids de l'échantillon saturé légèrement sec
par le méthanol moins le poids sec, après avoir stocké l'échantillon dans le gel de la silice,
divisé par la densité du méthanol.
La porosité par échange de méthanol sera calculée par la formule suivent: Pm = Vm / Vt
Où:
Pm: la porosité totale basée sur l'échange du méthanol.
Vm: le volume occupé par le méthanol dans la pâte du ciment (ou mortier).
Vt: le volume total.
37
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
I.5.1.4. Relation entre la porosité et la résistance
Il est à noter que la structure des pores a une grande influence sur les propriétés
mécaniques du béton [64]. La résistance d'un mortier de ciment ou d'un béton dépend de la
résistance de la pâte du ciment de même que celle des granulats. Le ciment hydraté, obtenu
après les réactions chimiques, est l'élément responsable du développement de la résistance du
béton ou du mortier. La contribution du ciment dans la résistance du béton dépend de la
participation de chacun de ses différents composants. De nombreuses formules ont été établies
pour décrire l'influence de la porosité sur la résistance des matériaux, mais aucune de ces
formules ne peut s'appliquer directement à un matériau hétérogène tel que le béton. Dans un
tel matériau les agrégats jouent un rôle prépondérant, par rapport aux contraintes qui leurs sont
appliquées.
I.5.2. Résistances aux eaux agressives
L'utilisation de ciments contenants des ajouts cimentaires semble être aujourd'hui une
approche prometteuse. L'incorporation de ces ajouts nous permet d'augmenter la capacité des
bétons à résister à l'attaque chimique dans un environnement agressif, comme il a été mis en
évidence par plusieurs chercheurs [70].
I.5.2.1. Eaux pures et eaux douces
Les eaux douces peuvent minéraliser de teneur en dioxyde de carbone agressif comprise
entre 15 et 30 mg/l et de PH 5.5 à 6.5, sont classées dans la catégorie des environnements
faiblement agressifs. Toutefois, des expériences récentes établissent que, même dans ce cas,
on ne peut pas négliger l’action dissolvante de l’eau [39].
L’eau douce peu théoriquement causé de très gros dégâts au béton. Heureusement, elle
n’attaque pratiquement pas un béton étanche à l’eau avec un rapport E/C  0,60 [4].
L’attaque d’un béton par des eaux pures faiblement agressives ne peut s’effectuer que
s’il est peu compact : dans ces conditions, elle consiste surtout en une dissolution de la
portlandite et par conséquent le lessivage. Les silicates et les aluminates, moins solubles, sont
attaqués plus tardivement lorsqu’une partie de la chaux a déjà été lessivée. La dissolution
sélective de leur calcium provoque un accroissement de leur porosité, en même temps
que le rapport molaire [CaO/SiO2] décroît. Les ions alcalins Na+ et K+, particulièrement
mobile, sont également lessivés par les eaux [39].
38
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Le processus d’attaque conduit à des pertes de masses et d’alcalinité due au lessivage de
la portlandite, ce qui induit une augmentation de la porosité et de la perméabilité. Il peut se
traduire également par une diminution de la cohésion et une chute des résistances mécaniques
du béton. Corrélativement, on constate que les ciments sont d’autant plus résistants à l’attaque
par les eaux douces qu’ils sont moins riches en hydroxyde de calcium et ont une plus grande
stabilité chimique. C’est le cas des ciments avec additions minérales (Laitiers, pouzzolanes
naturelles, fumée de silice,…) dont l’hydratation libère peu ou pas de portlandite, tout en
générant des CSH de rapport CaO/SiO2 faible [16].
L’attaque du béton par les eaux douces chargées en dioxyde de carbone se déroule
conformément à un processus de dissolution/précipitation, selon le mécanisme suivant [16] :
L’eau amenée à percoler à travers le béton se sature progressivement en bicarbonate, par suite
la dissolution de la portlandite et, à un degré moindre, des CSH, lorsque cette solution de
bicarbonate vient en contact avec d’autre cristaux de portlandite, il y a précipitation de
carbonate de calcium, très peu soluble, qui accroît momentanément la compacité du béton en
diminuant la section de percolation : Ca (OH) 2 + Ca (HCO3)2
2CaCO3 + 2H2O.
La précipitation de carbone de calcium permet à nouveau la formation de bicarbonate et
le processus se répète : CaCO3 + CO2 + H2O
Ca (HCO3)2
Comme dans le cas des bétons au contact d’eaux pures, on constate que la dégradation
par eaux chargées en dioxyde de carbone est fonction de la teneur en portlandite, c’est à dire
du type de ciments. Les bétons sont d’autant plus résistants que le ciment libère moins de
portlandite. L’hydroxyde de calcium fait plus de 20 à 25 % en poids de la pâte des ciments
portlands et son enlèvement provoque une évidente augmentation dans la perméabilité du
béton et la déstabilisation des phases hydratées.
La quantité de la chaux lessivée dépend largement de la compacité du béton et de type
de ciment (figure I.12).
Dans ce cas, La résistance à la lixiviation des ions Ca2+ est d’autant plus grande que le
ciment contient moins de chaux, les bétons de CPA, riche en chaux, sont plus sensibles à
l’altération que les bétons de ciments au laitiers, pouzzolane, et les bétons de ciment
alumineux [28]. Dans ce cas, les ciments pouzzolaniques se comportent mieux que les ciments
portlands, puisque la pâte hydratée contient peu d’hydroxyde de calcium et donne naissance à
une couche protectrice, à la surface du béton, riche en gel de silice et d’alumine [14]. La
teneur en CaO est environ 64% dans le CPA et 45% dans les ciments pouzzolaniques, mais
39
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
principalement c’est la grande quantité de CH et la faible quantité de C-S-H qui étaient à
l’origine de leur faible résistance au lessivage [40].
Figure (I.12) : Lessivage de la chaux dans une éprouvette de béton en fonction d’eau percolée
et la teneur en pouzzolane du ciment, d’après [41].
Pour les ciments au laitier, la relation entre le type de ciment et l’intensité de l’attaque
est illustrée par la figure I.13 ; dans le cas d’un CPA, d’un CHF, et d’un ciment alumineux
fondu [2]. Comme le montre dans la même figure ou les pertes de masses des mortiers
diminuent quand la teneur en laitiers augmente (supérieure à 40%). Les pertes de masses
observées sont accompagnées d’une détérioration des caractéristiques mécaniques: résistance
à la flexion et à la compression, module de déformation.
Figure I.13 : Pertes de masse en fonction du temps d’éprouvettes de mortier confectionné
avec différents ciments, conservées dans une eau douce de PH 5 à 5.5, d’après [4].
40
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
I.5.2.2.Eaux contenant des sulfates
Quand le béton est attaqué par l’eau sulfatée, il se gonfle et se fissure. Les sulfates les
plus agressifs, par ordre, sont les sulfates d’ammonium, magnésium, sodium et calcium.
Le sulfate de calcium est le plus répandu, il n’est pas considéré comme un sulfate
agressif. L’eau contenant de sulfate de calcium CaSO4 attaque le béton à cause de la réaction
entre CaSO4 et l’aluminate de calcium hydraté du ciment durci avec la formation d’ettringite
expansive. Ce sel est stable dans les solutions lesquelles sont comparativement riches en
CaSO4 et la portlandite Ca(OH)2, comme le cas des pâtes de ciment portland [33].
3CaSO 4
Sulfate de
calcium
+
3CaO·Al 2 O 3·6H 2 O
+ 26H 2O
Aluminate tétracalcique
hydraté
A l 2 O 3 ·3 C a S O 4 ·3 2 H 2 O
Eau
E tt rin g i te
Le sulfate de magnésium n’est pas heureusement répandu dans les eaux naturelles, son
action est plus nocive que CaSO4 puisqu’il réagit non seulement avec Ca(OH)2, mais aussi, il
décompose les aluminates et les silicates hydratés en formant sulfate de calcium hydraté
CaSO4.2H2O.
Ce dernier réagit avec l’aluminate hydraté et engendre l’ettringite expansive.
L’importance de la détérioration due à l’eau sulfatique dépend de la perméabilité du béton et
de la concentration des ions agressifs, aussi bien que sur la
composition
chimique du
ciment [28].
Les additions minérales de laitiers, de pouzzolanes naturelles et de fumées de silice
améliorent la résistance des bétons aux sulfates.
On peut estimer que l’amélioration est due à la modification de la texture des hydrates
qui deviennent plus compact, au moins pour les bétons âgés.
Les ciments avec ajout de laitier ont généralement un bon comportement dans les eaux
sulfatées. Ce bon comportement est dû :
–
A la réduction de la teneur en chaux et aluminate tétracalcice C3A du mélange.
–
L’accroissement de la compacité des hydrates, en relation avec une diminution
du volume poreux pouvant atteindre 25% dans le cas d’additions de laitiers
importantes, ces modifications de la structure poreuse entraînent une réduction de
la perméabilité.
41
CHAPITRE I
–
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Au mode de cristallisation de l’ettringite, formée par précipitation à partir de la
phase liquide et non expansive.
Figure I.14 : L’efficacité de laitiers à réduire les expansions dues aux sulfates, d’après [21].
(a): le témoin est un ciment portland (type ASTM II) avec 6,4 % de C3A,
(b): le témoin est un ciment portland (type ASTM V) avec 3,7 % de C3A.
Les ciments pour lesquels la teneur en laitiers est supérieure ou égale à 60% (CHF,
CLK) sont considérés comme résistant aux sulfates, indépendamment du clinker de base avec
lequel ils ont été fabriqués.
Lorsque la teneur en laitier est inférieure à 60%, et dans le cas des ciments avec ajout
de pouzzolane, c’est le clinker de base qui détermine la tenue du ciment aux sulfates. Ce
clinker doit satisfaire aux critères exigés pour les ciments Portland, en ce qui concerne les
teneurs en C3A et en SO3 (voir figure I.14) [16].
–
Les pouzzolanes à un taux de substitution de 20 à 30%, ont un effet bénéfique sur
la tenue des bétons aux sulfates. Cet effet est du à la consommation partielle par
les pouzzolanes de la portlandite libérée par l’hydratation des silicates du ciment
portland, il est dû également aux modifications de microstructure, (voir figure
(I.15)).
–
La fumée de silice offre également une bonne protection contre l’agressivité des
sulfates du fait de leur forte consommation en portlandite et de la structure
compacte des CSH qu’elles forment.
42
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Figure I.15 : Expansion d’un béton à base de ciment Portland (-) et ciment pouzzolanique
(---) En fonction de la durée d’immersion dans les eaux agressives, d’après [41].
I.5.2.3. Eaux contenant des chlorures
A l’exception de l’eau de mer ou l’eau se trouvant à proximité de la mer, la teneur en
chlorure de l’eau est généralement très faible et par conséquent non nocive. L’action des
agents de dégivrage à base de chlore est révélée par gonflement, fissuration et désagrégation
du béton. Les chlorures, qui peuvent arriver en contact avec le béton, le plus souvent sont le
chlorure de sodium et le chlorure de calcium, lesquels sont largement utilisés comme des sels
de dégivrage, le chlorure de calcium est considéré comme le plus agressif.
Les mécanismes qui conduisent à la détérioration sont différents, et peuvent affecter le
béton directement et indirectement. Pour ce qui est de l’attaque directe, on peut dire que quand
le béton arrive en contact avec les solutions de chlorure, il se gonfle et perd sa résistance
même si les solutions ne sont pas très concentrées. D’ailleurs, les chlorures contribuent au
lessivage de la chaux à travers un mécanisme qui n’est pas encore complètement expliqué, et
lequel dépend de nombreux facteurs d’environnement (pluie, température,…) mais aussi sur le
type de ciment [30]. Le lessivage de CH est plus faible dans les ciments pouzzolaniques, ou
les ciments contenant de la fumée de silice, que dans les ciments portlands. Dans ces derniers
le CH qui peut seulement être lessiver est celui qui n’a pas été déjà combiné comme CSH
avant l’exposition aux sels, comme conséquence, la porosité des mortiers exposés à l’action
des sels augmente dans les ciments portlands et diminue dans ce qui contiennent de la fumée
de silice ou de la pouzzolane [30].
43
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Une solution concentrée de 30% de CaCl2 endommage les pâtes et les mortiers de
ciment portland, avec ramollissement de la surface, fissuration, non seulement après plusieurs
cycles de séchage et mouillage, mais aussi, après une simple submersion.
Les pâtes de ciment pouzzolanique montrent une meilleure résistance aux solutions
concentrées de chlorure que le ciment portland. Ce comportement est attribué à la faible
quantité ou à l’absence de CH dans les ciments pouzzolaniques hydratés [28].
L’attaque indirecte se produit sous certaines conditions de concentration et de PH si les
ions des chlorures conduisent à atteindre le ferraillage. Sous ces conditions, le ferraillage
s’oxyde. Comme conséquence, le béton est soumis à des contraintes qui conduisent à la
fissuration et à la désagrégation. Un autre exemple de l’attaque indirect se produit quand les
chlorures sont utilisés comme des sels de dégivrage.
Dans ce cas, des chocs thermiques se produisent avec déplacement de la formation du
front de gel lequel peut causer des contraintes nuisibles pour la solidité du béton.
Les chlorures pénétrant au sein du béton à travers des microfissures et par diffusion dans
l’eau contenue dans la pâte de ciment et les pores d’agrégat. Le béton ne possède pas de
microfissures, la pénétration se produit par la diffusion.
Figure I.16: Pénétration de quelques sels de dégivrage dans les ciments portlands et
pouzzolanique, d’après [41].
44
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Figure I.17: Coeff. de diffusion d’ions Cl- en fonction de E/C pour des pâtes
exposées à une solution de NaCl, d’après [31].
La profondeur de pénétration d’ions des chlorures dépend de tous les facteurs qui
influencent la perméabilité des pâtes et bétons. Parmi ces facteurs le type de ciment. (Figure
(I.16)). Les bétons à base des ciments pouzzolaniques, aux laitiers et cendres volantes
s’opposent généralement à la pénétration d’ions de chlorure, contrairement au ciment
portland. Ceci s’explique par le fait que les ciments contenants des matériaux pouzzolaniques
sont capables d’immobiliser (dans les aluminates et les silicates) une quantité de Cl- plus grand
que celle dans le ciment portland, ainsi que la diffusion
de Cl- dans les ciments
pouzzolaniques est ralentie. (Voir figure I.17) [49].
I.5.2.4. Eau de mer
L’eau de mer a une forte teneur en sel (3,5 % environ) avec une prédominance de
chlorure et sulfate. Le processus chimique d’attaque des bétons par l’eau de mer résulte de
plusieurs réactions plus ou moins simultanées et interdépendante faisant appel à différents
mécanismes : dissolution, lixiviation, réaction d’échange de base, précipitation des composées
insolubles, cristallisation des sels expansifs.
45
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Les principales réactions mises en jeu peuvent se décomposer de la manière
suivante :
A/- Action des chlorures
Indépendamment de leurs effets nocifs sur les aciers des bétons armés, les chlorures
peuvent être à l’origine d’altération du liant lorsqu’ils sont en proportion élevés. Une partie
des chlorures est fixée par les silicates de calcium hydraté, une autre partie se combine au C3A
sous forme de monochloroaluminate de calcium C3A.CaCl2.10H2O.
Le chlorure de magnésium réagit également avec la portlandite suivant la réaction
d’échange :
Ca(OH)2 + MgCl2
CaCl2
+ Mg(OH)2.
La brucite est insoluble et se dépose à la surface du béton, tandis que le CaCl2 réagit
avec les aluminates pour former de monochloroaluminate.
B/- Action des sulfates de magnésium
Cette réaction conduit à la formation d’ettringite expansive et à la substitution des ions
Ca2+ par les ions Mg2+, soit dans les C-S-H, soit dans la portlandite (formation de brucite).
C/- Action du dioxyde de carbone
Il réagit sur la portlandite selon la réaction:
Ca(OH)2 + CO2 + H2O
CaCO3 + H2O.
Le carbone de calcium précipite à la surface du béton sous forme d’aragonite et de
calcite qui colmatent les pores. Il est très important de noter que les actions de chacun des ions
ne sont pas cumulatives. Le monochloroaluminate de calcium devient instable en présence de
sulfates et se décompose pour former notamment de l’ettringite. L’ettringite elle-même, en
présence de silice dissoute et de carbone, se transforme partiellement en thaumasite:
CaCO3.CaSO4.CaSiO3.15H2O. C’est l’interférence des différents ions qui explique que
l’agressivité de l’eau de mer sera bien plus faible que celle des eaux sulfatées [16]. En
revanche, pour certains auteurs, cette réduction d’agressivité est liée à la présence des
chlorures. Ceux-ci accroissent la solubilité du gypse et de l’ettringite qui cristallise alors, au
moins partiellement, sous une forme non expansive à partir de la solution.
46
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Selon Mehta [47], le remplacement des ions OH- par des ions Cl- réduit l’alcalinité de la
solution interstitielle nécessaire pour former de l’ettringite expansive. Par ailleurs, du fait de
leur coefficient de diffusion relativement élevé, les chlorures pénétrent rapidement dans le
béton et consomment une partie des aluminates en formant du monochloroaluminate non
expansif. Toutefois, les chloroaluminates instable en présence de sulfate, tendent à se
transformer en ettringite expansive plus ou moins lessivée par l’eau de mer. Locher [40],
attribue l’agressivité relativement faible de l’eau de mer à l’action du dioxyde de carbone qui
induit la formation d’une couche protectrice dense de carbonate de calcium à la surface du
béton.
Figure I.18 : Effet du type de ciment sur la pénétrabilité d’ions de chlorure après mois
d’exposition à l’eau de mer, d’après [41].
Toutefois la pénétration d’ions de chlorure est beaucoup plus faible quand les ciments
aux pouzzolanes et aux laitiers sont utilisés à la place du CPA (voir figure I.18). Les ciments
aux pouzzolanes et aux laitiers, dus à leur pâte plus compacte, empêchent la pénétration d’ions
de sulfate et résistent intrinsèquement mieux que les ciments portlands à l’attaque des sulfates,
à cause de leur faible teneur en aluminates de calcium hydratés et C-H [18].
I.5.2.5. Action des chlorures seuls
Les chlorures s’introduisent dans le béton, soit au gâchage à partir des constituants de
base lors de la confection du béton, soit plus tardivement si l’ouvrage est exposé à des
embruns marine ou des sels.
47
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Les chlorures liés se trouvent dans le béton sous deux formes:
–
Physiquement adsorbée sur les parois solides dans les pores.
–
Chimiquement fixés par réaction avec certains composés du ciment, dans ce
dernier cas, les composés formés sont le monochloroaluminate hydraté ou sel de
Friedel, de formule C3A.CaCl2.10H2O.
La capacité de fixation des ions Cl- par le ciment dépend de la nature de ciment utilisé
et principalement de la quantité d’aluminate C3A présente dans le clinker. D’autres espèces
ioniques peuvent intervenir sur la fixation chimique des chlorures. Ainsi les ions sulfates
réagissent de préférence aux ions chlore sur le C3A présent en formant des sulfoaluminates et
en diminuant la capacité de fixation des chlorures comme le montre la figure I.19.
Figure I.19 : Variation de la concentration des chlorures libre en fonction de la quantité de
C3A contenue dans le ciment, d’après [74].
Courbe 1 : 0,4 % de Cl- sous forme de NaCl
Courbe 2 : 0,4 % de Cl- + 1,5 % SO32- sous forme de NaCl + Na2SO4
Ces résultats expliquent que le CPA à forte teneur en C3A serait résistant aux milieux
chlorurés, mais pas à l’eau de mer à cause de la présence de sulfate.
La pénétration des chlorures dans la structure poreuse de béton : le pourcentage des
chlorures libres s’accroît avec le rapport E/C (alors que la quantité de chlorures liés reste
sensiblement constante) et avec la concentration en sels du milieu environnant [55, 56].
La diffusion d’ions de chlorure dans le béton est le résultat de mécanismes complexes
ou l’échange d’ions entre la solution agressive et la solution poreuse (interstitiel) dans le béton
joue un rôle important. Il est découvert que le taux de diffusion des chlorures dans le béton est
affecté principalement par le type de cation associé avec le chlorure [28].
48
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
La dissociation de MgCl2, l’agent le plus actif dans l’attaque des ciments, libère Mg2+
lequel substitue Ca2+ dans Ca(OH)2 pour former Mg(OH)2 et dans C-S-H pour former M-S-H
sans propriétés liantes [15].
Son action se résume par sa dissociation en libérant ainsi les ions chlore qui réagissent
avec les aluminates, pour former le monochloroaluminate ou (sel de Friedel).
Ces mêmes ions chlores peuvent s'insérer dans le réseau cristallin de CSH et créer une
structure alvéolaire, d'où la formation d'un treillis dont les mailles deviennent de plus en plus
fragiles quand la qualité de la chaux dissoute augmente.
Les principales réactions provoquées par l'action du MgCl2 sont les suivantes:
Ca (OH) 2 + MgCl2
CaCl2 + Mg (OH) 2
(Soluble)
CaCl2 + 3CaOAL2O3 + 12H2O
(Précipité)
3CaOAL2O3CaCl210H2O
(Monochloroaluminate)
La formation du monochloroaluminate, instable donne en présence de sulfate l'ettringite
(3CaOAL2O33CaSO432H2O) d'où le gonflement de l'ouvrage et sa dégradation.
Il semble que la diffusion des chlorures combinés aux cations divalents (par exemple
CaCl2) soit plus rapide que celle correspondant aux cations monovalents comme NaCl [3, 55,
61]. Par contre les chloroaluminates se forment en quantité plus importante à partir de CaCl2
que de NaCl [53, 55].
On peut relever trois conséquences relatives à l’incorporation d’addition minérales dans
les ciments sur la pénétration des chlorures.
–
La capacité de fixation des chlorures est déterminée par la concentration en (C3A
+ C4AF) du liant. Or la teneur de ces composés diminue en présence de laitiers
ou de cendres volantes puisque les aluminates proviennent de clinker. La quantité
de chloroaluminates formée étant réduite, la teneur en chlorure libre devrait être
plus élevée pour les ciments incorporant des additions minérales. Or, les
informations rapportées par certains auteurs [62, 65]; montrent qu’au contraire, la
quantité de chlorure liée est plus élevée dans les ciments composés au laitier et
aux cendres volantes que dans le ciment portland. Cette plus grande capacité de
49
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
fixation serait due à la forte adsorption des chlorures les pores des ciments
hydratés.
–
Les additions minérales réduisent sensiblement le PH de la solution interstitielle.
Cette diminution conduite à admettre une concentration admissible plus faible en
chlorure au niveau de l’armature.
–
Le coefficient de diffusion apparent est dépendant des additions minérales. A
condition de respecter une cure humide prolongée, l’ajout de laitiers, de cendres
volantes ou de fumée de silice réduit dans des proportions sensibles les
coefficients de diffusion des chlorures dans le béton.
I.5.2.6. Action des sulfates seuls
La dégradation des bétons par les sulfates est due principalement à des phénomènes
d’expansion en relation avec la cristallisation d’ettringite, dite ettringite «secondaire». La
formation de cette ettringite expansive est à distinguer de l’ettringite «primaire» obtenue aux
premiers stades de l’hydratation des ciments portlands par réaction du gypse, car cette
ettringite n’est jamais expansive [16].
Schématiquement, la formation de l’ettringite en deux étapes est résumée ci-après :
a)
Formation du gypse «secondaire» par opposition au gypse «primaire» ajouté au
ciment comme régulateur de prise. La formation de gypse secondaire résulte d’une
réaction de substitution entre la portlandite et le sulfate. Par exemple, avec le sulfate
de sodium :
Ca(OH)2 + Na2SO4 + 2H2O
CaSO4.2H2O + NaOH
b) Réaction entre le gypse secondaire et les aluminates de calcium du ciment formant
l’ettringite.

Soit à partir de reliquat de C3A anhydre :
3CaOAL2O36H2O + 3[CaSO4.2H2O] + 20H2O

3CaOAL2O3.3CaSO4. 32H2O
Soit à partir de l’aluminate tétracalcique hydraté C4AH13 ou de
monosulfoaluminate de calcium C3A.CaSO4.H12.
50
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Les études en laboratoire ont conduit à mieux définir les différentes étapes du processus
qui entraîne la dégradation du béton :
–
Mise en contact de la surface du béton avec la solution agressive.
–
Pénétration des anions SO4-2 par diffusion limitée à une zone superficielle.
–
Pénétration du cation associé et réaction de substitution : Cation
(Mg2+, Na+, NH+4,…)
Ca2+ et formation du gypse en solution ou
cristallisé suivant réaction ponctuelle des ions sulfate avec les aluminates anhydres
(C3A) ou hydrates (C4 AHx et C3A.CaSO4.H12) avec formation, in situ, d’ettringite
expansive.
–
Cristallisation par « Effet de coin » due à la pression de cristallisation de
l’ettringite.
–
Accentuation de la pénétration des sulfates à la faveur des fissures.
–
Progression de l’attaque suivant un front de dégradation dont l’épaisseur à
tendance à s’élargir au cours du temps.
–
Destruction plus ou moins complète du béton.
Les sulfates les plus agressifs vis à vis des bétons sont les sulfates de magnésium,
d’ammonium, de calcium et de sodium. Le sulfate de magnésium est très fortement agressif
par la double action du cation Mg2+ qui s’échange avec Ca2+ et l’anion SO42- suivant les
réactions :
Ca(OH)2 +
MgSO4
CaSO4 + Mg(OH)2.
C3A + 3CaSO4.2H2O + 26 H2O
C-S-H + MgSO4
C3A.3CaSO4.32H2O.
CaSO4.2H2O + (C, M)-S-H.
Les échanges de Mg2+ avec Ca2+ conduisent à la formation de brucite Mg(OH)2 qui
peut ralentir temporairement la pénétration des sulfates. Ils provoquent aussi la transformation
progressive des C-S-H en un silicate de magnésium hydraté M-S-H sans propriétés liantes.
De plus, la cristallisation d’ettringite, instable en présence de sulfate de magnésium,
intensifie la réaction de formation du gypse [67].
51
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Le sulfate de calcium, présent dans les sols sous forme de gypse et d’anhydrite, et dans
les eaux souterraines séléniteuses, est agressif pour le béton malgré sa solubilité relativement
faible. Le processus de dégradation, plus lent que dans le cas des sulfates de magnésium et
d’ammonium, est du essentiellement à la formation d’ettringite expansive.
Le sulfate de sodium, très soluble, entraîne une dégradation par formation de gypse et
d’ettringite expansive dont les proportions relatives sont fonction à la fois de la concentration
de SO42- et de la teneur en aluminates tricalcique du ciment. L'action des eaux sulfatées offre
le cas le plus simple d'une agression donnant naissance à des composés nouveaux expansifs à
partir des constituants du ciment. Réaction avec la chaux et formation du gypse secondaire.
Ca(OH)2 + Na2SO4 + 2H2O
CaSO4 2H2O + 2NaOH
(Gypse secondaire) (Soluble)
Une partie du gypse secondaire formé au cours de cette réaction précipite et provoque
une expansion, l'autre partie soluble entraîne une érosion et une réaction avec l'aluminate
tricalcique d'après le schéma de la réaction suivante:
3CaOAL2O36H2O + 3(CaSO42H2O) + 20H2O
3CaOAL2O33CaSO432H2O
(Ettringite)
L'ettringite ainsi formée provoque une expansion. Il est à noter que l'ettringite se forme
normalement lors de la prise du ciment portland, mais elle se transforme rapidement dans les
conditions habituelles de conservation en monosulfate. En outre le gypse ajouté au clinker
n'est plus à l'état libre dans la pâte durcie. Comme les différents sulfates de calcium (CaSO4
2H2O, CaSO4 1/2 H2O et le CaSO4).
Les CSH, moins sensibles que la portlandite, ne sont pas affectés directement par le
sulfate de sodium, mais, sont néanmoins, susceptibles de se décomposer dans un deuxième
temps par lixiviation partielle de leur chaux et formation de gypse.
Le sulfate de potassium, a une action voisine de celle du sulfate de sodium, mais la
vitesse d’attaque est un peu plus lente.
La plupart des sulfates métalliques solubles sont agressifs vis-à-vis du béton, à
l’exception des sulfates de plomb et de baryum très peu soluble.
52
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Les phases solides dans le ciment portland bien hydraté, sont C-S-H, C-H et les produits
d’hydratation contenant l’alumine. Ces deux derniers qui sont les plus vulnérables contre
l’attaque des ions de sulfates.
Des essais ont montré que la percolation des sulfates peut, parfois, être responsable de la
dégradation des mortiers. Si on considère le cas ou les aluminates sont absents, comme dans
le cas des mortiers manufacturés avec C3S, l’action des sulfates sera
beaucoup moins
agressive que si on utilise le mélange C3S + 10% C3A. (Figure (I.20)).
Figure I.20 : Chute de la résistance à la compression de différents types de ciment après la
percolation des sulfates, d’après [65].
Il a été montré l’effet de la composition de la pouzzolane naturelle sur la résistance aux
sulfates de ciments mélangés. Une pouzzolane naturelle de l’Italie riche en silice (SiO2 =
88,25%, Al2O3 = 1,8%) a donné des résistances meilleures au mélange de ciment exposé à la
solution de MgSO4 en comparaison à la pouzzolane qui contient 17,58 % Al2O3.
Evidemment, par réduction de la quantité totale de l’alumine réactive dans le mélange
de ciment, La pouzzolane riche en silice était capable de réduire la teneur en aluminate
hydratée vulnérable aux sulfates dans la pâte de ciment [49].
Donc, on peut conclure que l’attaque sulfatique peut être réglée quand la présence
d’aluminate hydratée dans la pâte de ciment est réduite ou même éliminée par la réduction de
la teneur en C3A ou par la substitution d’une partie de ciment par un matériau convenable.
Mehta [49], remarque que cette dernière méthode est effectivement employée pour
réduire en plus la quantité de CH du à l’hydratation de ciment (le cas des matériaux
pouzzolaniques).
53
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Ce n’est que récemment que la formation de thaumasite est également est reconnue
comme un mécanisme entraînant des dégâts. La thaumasite est également un produit expansif,
qui est du à la réaction de la pâte de ciment durcie avec les ions de sulfate. Sa formule
(CaO.SiO2.CaSO4.CaCO3.14H2O) indique qu’elle n’a pas besoin de C3A hydratée pour se
former. Il en résulte que dans des circonstances défavorables, même les bétons avec des
ciments portlands résistant aux sulfates, qui se caractérisent par une faible teneur en C3A,
peuvent être détruits par des ions de sulfate [4].
La réduction de la perméabilité est assurée par l’utilisation des ajouts pouzzolaniques,
qui devient un facteur majeur dans l’amélioration de la durabilité du béton exposé aux
solutions sulfatiques. Les essais de laboratoire ainsi que les tests in situ montrent que la
plupart des pouzzolanes naturelles améliorent la résistance de béton contre l’attaque des
sulfates quand elles sont utilisées comme remplacement partiel.
Massaza et Costa [17], ont confectionné des ciments composés de ciment portland avec
ajout de 10, 30 ou 40 % de pouzzolane naturelle de l’Italie. Les mesures d’expansion sur des
prismes standards de mortiers exposés à une solution de 1% de MgSO4 pour une période de 5
ans (figure I.21), prouvent que l’expansion engendrée par les sulfates était légèrement réduite
par l’addition de 10% de pouzzolane, mais était considérablement réduite quand la proportion
ajoutée était 30 ou 40%. Les auteurs ont attribué ces résultats à la haute imperméabilité et la
faible teneur en CH du mortier à base de ciment avec 30 ou 40% de pouzzolane. Ils ont
observé que dans l’hydratation de la pâte de ciment à la pouzzolane, le CH est présent non
seulement en petite quantité mais encore entourée par les produits imperméables de réactions
pouzzolaniques.
54
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
Figure I.21 : Effet de la substitution de ciment portland avec de la pouzzolane naturelle sur
l’expansion de mortiers, d’après [41].
D’une étude parallèle pour la résistance aux sulfates, Mehta [49] a constaté que la pâte
de référence (CPA) et la pâte avec 10 % de pouzzolane perdent plus de 50 % de leur
résistance à la compression, Tandis que pour le cas de 20 et 30 % de pouzzolane la chute de
résistance était inférieure à 20 %. Pour étudier l’influence des sulfates sur la résistance à la
compression, des pâtes durcies de ciment portland ordinaire, ciment résistant aux sulfates et
ciment pouzzolanique (80 % CPA+20 % pouzzolane) sont immergées séparément dans des
solutions de 5 % (MgSO4 et Na2SO4) jusqu'à un 1 an [5]. La résistance à la compression est
mise en corrélation autant que possible avec la composition chimique et minéralogique des
ciments utilisés et les cations attachés aux ions des sulfates
Figure I.22 : La variation de la résistance à la compression de pâtes de ciment immergées
dans des solutions sulfatiques en fonction de la durée de cure, d’après [5].
55
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
D’après la figure I.22 la résistance de la pâte de ciment pouzzolanique augmente avec la
durée de cure, pour les deux autres ciments la résistance diminue jusqu'à 1an (pour les pâtes
immergées dans MgSO4), mais augmente jusqu'à 6 mois (le cas de Na2SO4), après elle
diminue d’une manière aigué jusqu'à 1 an. Le comportement de la résistance des différentes
pâtes de ciments dans les solutions de sulfates est principalement attribué à la pénétration des
sulfates et leurs réactions avec les constituants des ciments [5]. Le ciment pouzzolanique est
durable dans toutes les solutions sulfatiques à cause de la formation supplémentaire de C-S-H.
Ces hydrates précipitent dans les pores et causent la diminution de la porosité. D’autre coté les
pâtes immergées dans la solution Na2SO4 montrent une augmentation de résistance jusqu'à 6
mois, ceci s’explique du fait de l’augmentation de PH qui est du à la formation de NaOH qui
stabilise la formation de C-S-H. [4]. En général, la présence des ions de sulfate en faible
quantité fait augmenter l’hydratation des ciments [17], ce qui explique l’augmentation de la
résistance de la pâte de ciment aux jeunes âges.
56
CHAPITRE I
REVUE DE LA DOCUMENTATION
I.6. CONCLUSION
Les ajouts les plus connus sur le marché actuellement sont les pouzzolanes naturelles,
les cendres volantes, le laitier de hauts-fourneaux, la fumée de silice et les fillers, qui
combinés au ciment Portland contribuent, par action hydraulique ou pouzzolanique ou les
deux à la fois, à améliorer certaines propriétés du béton frais et durci.
La production du ciment Portland, a un coût énergétique élevé, calciné à de hautes
températures, sa production coûte chère. Les ciments aux ajouts permettent non seulement de
réduire les coûts de production mais aussi de régler certains problèmes environnementaux en
offrant en plus au béton de meilleures performances.
La combinaison du ciment Portland avec des ajouts cimentaires classe (1 ou 2) permet
de développer de nouveaux types de liants hydrauliques (ciments binaires ou ternaires) ayant
des propriétés physico-mécaniques et une durabilité supérieure au ciment Portland seul.
Il existe actuellement au CANADA deux ciments ternaires qui sont commercialisés, et
un ciment quaternaire à l’étude pour améliorer les caractéristiques physico-mécaniques et la
durabilité des mortiers et béton.
A la lumière de l’examen de la documentation, le recours aux ajouts est certainement la
voie la plus prometteuse à suivre afin d'assurer un développement durable à l'industrie du
ciment, mortier et du béton. Le présent travail traite l'influence des ajouts cimentaires tel que la
pouzzolane et le filler, comme substitutions au ciment, sur les caractéristiques physicomécaniques et la durabilité des mortiers et béton.
57

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